污水處理過程中存在多個高碳排放環節，主要包括傳統活性污泥法、曝氣與攪拌單元、污泥處理處置工藝及深度處理環節。傳統活性污泥法雖廣泛應用，但其對污泥回流依賴性強，曝氣負荷大，且對水質水量波動適應性較差，易導致系統處理性能波動，進而造成能耗增加與污染物排放不穩定，整體能源利用效率偏低。曝氣與攪拌環節作為能耗占比最高的運行單元，其設備運行效率直接影響系統能效水平，低效曝氣及不均勻攪拌不僅加劇能耗浪費，還可能誘發氧化亞氮（N₂O）等溫室氣體的釋放，成為污水廠碳排放的重要來源。在污泥處理處置方面，傳統手段如直接填埋、低效脫水和高劑量投加的處理方式，不僅占用土地資源，且伴隨顯著的溫室氣體排放與資源浪費問題。此外，深度處理工藝在實現出水達標提標的同時，其高能耗、高藥耗和化學污泥的產出亦增加了系統的碳排放負擔。
1．節能降耗類技術
（1）智慧曝氣采用活性污泥法工藝（如AAO、AO、MSBR等）的污水處理廠生化池鼓風曝氣充氧工藝段。其控制目標是：根據生化池進水水量、水質及出水水質要求，基于模型及人工智能算法，對曝氣充氧過程進行全自動精確控制，實現按需供氧，保證好氧池DO、出水水質穩定，降低鼓風機運行電耗。
只根據進水流量、進水水質、剩余污泥排放及硝酸鹽利用等因素，在線或者離線通過機器學習算法得到生化系統實際需氧量；根據實際需氧量和曝氣效率計算實際所供風量；將實際所需供風量傳輸給鼓風機控制系統，通過強化學習算法或先進控制技術實現風機群組動態優化分配、風機風量和曝氣管道閥門開度一體化調節控制風機的供氣量，實現按需供氣。智能曝氣采用的算法可選擇（1）活性污泥法機理模型（ASM）：根據進水水量、水質、好氧池溶解氧預測出水化學需氧量、氨氮；（2）多層神經網絡算法：預測好氧池溶解氧變化趨勢，維持溶解氧逼近目標值情況下預測需氧量；（3）強化學習算法：以預測模型的結論為目標，通過分析歷史經驗數據和實際運行數據信息，合理預估好氧池溶解氧變化情況及最佳工藝區間，自動分配各組好氧池的曝氣量，降低鼓風機能耗。
智慧曝氣的實施保證生化池正常穩定運行，好氧區溶解氧波動范圍降低，一般可控制在±0.25mg/L；保證生化處理出水水質穩定達標；降低曝氣電耗，一般可節約10%~15%的電耗，具體節能效益需要結合工程分析測算。
（2）變頻控制與能耗監測系統在污水處理過程中，曝氣系統、污水泵站、攪拌設備等高耗能單元通常占據了整個廠區電耗的70%以上。其中，傳統運行模式常采用恒速或粗略分時控制方式，容易出現“過曝氣”“空載運行”“能效冗余”等問題，導致能源浪費和碳排放增加。為此，將變頻控制技術與能耗監測系統集成應用，已成為實現污水廠節能降耗、邁向低碳運行的關鍵路徑之一。
在污水處理系統中，曝氣風機、水泵和攪拌器等高耗能設備是碳排放的主要來源，占總能耗比例常超過70%。為實現污水處理過程的精細化節能控制，近年來國內外廣泛推廣變頻控制技術與能耗監測系統的集成應用。變頻控制通過調節電機轉速，實現對設備運行狀態的實時優化匹配，根據水量、水質等變化動態調整泵送或曝氣強度，從而避免無效運行和能源浪費。例如，在曝氣系統中結合DO在線監測信號，通過風機變頻調節風量，可顯著提升氧利用效率，一般可實現15%~30%的能耗節約。同時，能耗監測系統通過在關鍵設備安裝電力采集單元，實時記錄運行電流、電壓和能耗數據，并上傳至信息化平臺進行分析和評估，形成以“感知—分析—控制—反饋”為核心的閉環控制機制。該系統不僅可用于識別高耗能單元與異常運行行為，還能支撐噸水電耗、碳排放強度等核心績效指標的計算與優化。二者的協同應用，不僅顯著提升了運行能效，也為智慧化污水處理廠的建設提供了數據基礎與決策支持，在推進污水處理行業低碳化轉型中發揮著關鍵作用。
2．強化脫氮技術減少碳源投加
（1）短程硝化反硝化
距提出短程硝化-反硝化理論已近50年，如今這一污水脫氮工藝已實現了諸多的工程化應用案例。由于硝化反應是由兩類生理特性完全不同的細菌獨立催化完成的不同反應，所以需要通過適當的控制條件，將硝化反應控制在亞硝化步驟，阻止亞硝氮的進一步氧化，然后銜接亞硝氮還原完成反硝化過程，這一“捷徑”將使脫氮過程更快完成。這一優勢也使得短程硝化-反硝化工藝（PN/D）比傳統硝化工藝減少了約25%的曝氣量、20%的二氧化碳排放量以及30%的污泥產量。該工藝的核心是控制氨氮向亞硝氮轉化并穩定持留亞硝氮，但在溶解氧（DO）較高條件下亞硝氮極易向硝酸鹽轉化，進而導致脫氮效能大幅下降。因此，目前該工藝的研究重點是如何實現穩定的亞硝酸供給。
（2）厭氧氨氧化
厭氧氨氧化（Anammox）是一種新型生物脫氮過程，發現于20世紀90年代，并在近20年取得了飛速發展，顯示了較大的發展和應用潛力。Anammox反應是指厭氧氨氧化菌（AnAOB）在厭氧條件下以氨為電子供體將亞硝酸鹽還原成氮氣的自養生物過程。相較于傳統的硝化-反硝化工藝，該過程可大幅度降低曝氣能耗、無需外源電子供體，且污泥產量顯著減小。據估算，基于短程硝化-厭氧氨氧化的新型生物脫氮工藝可降低60%的曝氣能耗，節省90%的有機碳源以及削減約75%的剩余污泥產量。因此，Anammox被視為未來生物脫氮的升級技術，具有良好的發展和應用前景。
厭氧氨氧化過程的底物為亞硝酸鹽與氨氮，而亞硝酸鹽在水體中難以穩定存在，因此厭氧氨氧化與其他工藝過程相耦合是有效的解決辦法。最先提出的是短程硝化耦合厭氧氨氧化（PN/A），傳統的消化過程為氨氮在氨氧化菌
（AOB）作用下氧化為亞硝氮，亞硝氮又在亞硝酸鹽氧化菌（NOB）作用下氧化為硝酸鹽氮，而短程硝化過程（PN）即將傳統硝化過程控制在第一步，即將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，從而實現為厭氧氨氧化據提供亞硝酸鹽的目的，耦合的關鍵在于控制PN過程，使其實現AOB的富集，而抑制NOB的繁殖，從而實現亞硝酸鹽的有效積累。雖然PN/A過程可以減少氧氣的消耗，無需添加碳源，剩余污泥的產量也大大減少，已經在高濃度氨氮廢水處理中得到應用，但是其仍然存在許多問題，如在處理高濃度氨氮廢水時100%的PN過程難以實現，AOB可能受到游離氨和游離亞硝氮的影響，同時還會有11%左右的硝酸鹽氮殘留在出水中。在主流污水處理中，PN/A還面臨著難以完全抑制NOB，有機物引起異養菌的過度繁殖等問題，雖然可以通過間歇曝氣，對pH/DO的實時監控來改善，但是效果并不理想。此外在運行時，PN/A過程常出現不知原因的系統崩潰[18]，這也大大限制了PN/A的實際應用。為解決PN/A系統的運行不穩定問題，又有人提出了短程反硝化耦合厭氧氨氧化過程（PD/A）。有研究發現反硝化過程中，控制一定的碳氮比可以實現80%以上的亞硝酸鹽積累率，即可以實現將傳統反硝化過程控制在第一階段，以此為厭氧氨氧化過程穩定提供亞硝酸鹽。與傳統的硝化/反硝化工藝相比，高效的PD/A可將曝氣能耗降低50%，有機資源需求降低80%，N2O產量也更低。與PN/A過程相比PD/A具有在低溫下穩定運行，低氨氮負荷處理效果好等優勢。
（3）同步硝化反硝化（SND）技術與在多個反應器中完成硝化及反硝化的傳統生物脫氮不同的是，SND能夠在特定的運行條件下在單個生物反應器中進行氮的脫除，同步硝化反硝化的形成機理主要有三種：制造宏觀環境、制造微觀環境及培養特定微生物。宏觀環境下存在于曝氣死區的反硝化微生物與曝氣區的硝化微生物協同反應形成在單個反應器中實現硝化及反硝化。微觀環境中，活性污泥絮體或生物膜表面與內部形成氧濃度梯度，絮體表面氧的濃度高，形成好氧區進行硝化反應，內部氧濃度低，形成缺氧區，進行反硝化反應，除了活性污泥絮凝體外，一定厚度的生物膜中同樣可存在溶氧梯度，使得生物膜內層形成缺氧微環境。另外近年來許多特定微生物的出現，如好氧反硝化菌及異養硝化菌，也使得同步硝化反硝化過程得以實現。
SND是污水處理廠非常具有前途的新工藝，其優點在于：（1）碳需求及污泥產量減少30%，（2）減少堿的添加，（3）不需要內循環，（4）較低的曝氣需求，（5）占地面積小。但其缺點也是顯而易見的：（1）與單獨的反硝化和硝化相比，氮去除率較低，（2）N2O積累量高，（3）系統微生物競爭激烈。SND常被應用于生物膜反應器中，生物膜系統允許參與營養物去除的多樣化和復雜的微生物群落共存，這使得這些系統非常適合SND工藝。
3．綠色能源替代與系統碳補償
（1）污泥厭氧消化
污泥中含有豐富有機質，通過厭氧消化可回收生物質能、產生沼氣，沼氣熱電聯產可實現熱、電兩種能源回收。預處理（水解）后的污泥進入厭氧消化罐，酸化菌、產氫產酸菌利用高分子有機物被水解形成的可溶性小分子有機物作為能量和生長基質，進行發酵，產生醋酸等揮發性脂肪酸，及二氧化碳、醇類和能量等，并形成新的細胞物質。在甲烷發酵階段，產氣產甲烷菌進一步分解水解預處理和酸化階段的代謝產物，形成以甲烷和二氧化碳為主的沼氣。
在污水CODCr濃度偏低、污泥產量和有機質含量偏低的情況下，污泥單獨厭氧消化難以實現能量自給，因此常添加其他高有機質廢棄物協同處理。如美國Sheboygan污水處理廠將高有機質餐廚垃圾與污泥協同厭氧消化并進行熱電聯產，在2013年其產熱量與耗熱量比值達0.85~0.90，產電量與耗電量比值達0.9~1.15，基本接近“能源零消耗”目標。厭氧消化提高了污泥的脫水穩定性，使后續焚燒減少了1/3能耗。除此之外，污泥中大部分有害病原體被消滅，使得消化污泥可以進行進一步的處理和資源化利用，其中，作為土壤改良劑、肥料或能源原料，是真正實現無害化、減容化、穩定化的綜合處理。
（2）污泥焚燒熱能回收利用技術
污泥焚燒是將污泥中的有機物在高溫條件下氧化分解為二氧化碳和水，同時回收熱能，能實現污泥的無害化治理與資源化利用，大大縮減了污泥的體積。由于完全消除了污泥內的病原體，焚燒后的污泥沒有惡臭，在各類污泥處理方式中，屬于最完全、最徹底的一種。此外，由于脫水處理后的污泥與褐煤的熱值水平一致，還能通過能量的回收減少處理成本，實現供熱和發電等方式的能源應用盡用。現如今，由于污泥厭氧消化技術水平相對比較落后，污泥干化焚燒技術在國內處于主流地位，在今后一段時間的應用也將越來越多。焚燒
實現了對污泥的徹底處理和處置，但是針對干化焚燒設備以及為降低焚燒煙塵嚴重污染的煙塵處理系統的高昂投資，也使污泥處理的費用大大增加。因而僅有經濟發達并且用地比較緊張的區域采用干化焚燒工藝。而協同焚燒可利用現有垃圾焚燒廠、燃煤電廠等對污泥進行處置，投資較低，是現階段污泥處置的一個很好的發展方向，契合我國國情污泥焚燒產生的煙氣進行熱能回收的方式分為一次利和二次利用。一次利用指回收的熱量用于焚燒以減少輔助熱源或燃料消耗，如用于預熱燃燒空氣或污泥脫水/干化；二次利用指回收的熱量用于發電、加熱外部介質等。河北省辛集市污泥干化焚燒項目無需輔助燃料，除設備驅動耗能外無其他能耗，每年還可發電8640萬kW·h，每年減少CO2排放超過7.5 萬 t。
（3）污水源熱泵技術
污水中含有豐富的余溫熱能，相比化學能高近4倍，占城市廢熱排放總量的15%~40%。生活污水溫度波動小，夏天溫度低于環境溫度，冬天溫度高于環境溫度；污水源熱泵技術利用這一特點，實現夏天制冷、冬天制熱，如滿足廠內能源需求仍有富余還可擴大輸出范圍，尤其適用于醫院、學校、大型公建、科技和工業園區等冷暖同供建筑。按照污水源是否經過污水廠處理可以分為兩類，一類是未經過處理的原生污水直接來作為熱源，其由于未經過處理、雜物繁多，極易造成污水源熱泵系統的管路堵塞和結垢；二類是經過污水處理廠處理后的污水再作為熱源，其雖然在一定程度上避免了污水中雜物對于污水源熱泵系統管路的影響，但污水廠到熱能供給用戶的距離較遠，造成熱量損耗較多，并且經過處理后的污水冬季溫度太低，整個系統的能效比會降低。“雙碳”背景下，國家大力推廣清潔能源供冷供熱技術，鼓勵污水的合理化應用，市政污水是一座巨大的能源寶庫，可滿足區域供冷供熱的需求，是真正的清潔能源，對污水合理地取熱與放熱正是符合“雙碳”戰略的重要舉措。
（4）光伏發電
污水廠光伏發電是當前“污水處理廠綠色低碳轉型”背景下的重要發展方向之一，主要通過在污水廠可用空間（如建筑屋頂、沉淀池上方、綠化帶、廠界空地等）布設太陽能光伏板，將太陽能轉化為電能，供廠區自身使用或并網發電，從而實現可再生能源的利用、減少碳排放和降低運行能耗。蘇州一泓污水廠一泓污水處理廠1053.25千瓦分布式光伏發電項目總屋頂使用面積約1.3萬平方米。根據預測，與相同發電量的火電相比，該電站建設投運后每年可節約標準煤約324.5噸，每年可減少煙塵排放量約284.7噸，減少二氧化碳排放量約898.3噸，減少氮氧化物排放量約15.5噸，減少二氧化硫排放量約27.1噸，實現經濟效益與生態效益“雙贏”。
2022 年 3月，無錫市市政集團下屬無錫市水務集團有限公司錫澄水廠4.6MW光伏電站項目正式開工建設。該項目是江蘇省內最大的自來水廠光伏發電站，總體建設規模為4619.16 kWp，采用最佳傾角布置方式，使用清水池頂面積約4.4萬㎡，是已知省內單體面積最大的自來水廠光伏電站建設項目。采用“自發自用，余電上網”供電模式，通過對太陽能的綜合利用，實現太陽能光伏發電應用。建成后25年總發電量約為12777.3萬kWh，25年年平均發電量約511.1萬kWh。經測算，與燃煤火電站相比，每年可為國家節約1580噸以上標準煤，相應每年可減少多種有害氣體和廢氣排放，其中減少SO2排放量約150噸，NOx（以NO2計）排放量約14噸，每年可減少溫室氣體CO2的排放量約4300噸。
（5）再生水利用
污水廠再生水利用是實現水資源可持續利用和城市水系統綠色轉型的重要路徑之一。再生水（也稱中水）是指城鎮污水經適當處理后達到一定水質標準，可在非飲用途徑上重復使用的水資源，廣泛應用于市政、工業、農業及生態補水等領域。蘇州工業園區第二污水處理廠配套建設2萬噸/天的再生水回用系統，將處理后的中水供周邊企業使用，用于工業冷卻、綠化灌溉、道路噴灑等，有效節約了寶貴的淡水資源。
目前，廠內再生水年使用量已達200萬噸。根據《蘇州工業園區桑田島片區再生水利用規劃》（2024—2035），二污廠還將進一步提升再生水回用能力，待項目全部完成后，年再生水量將增加到800萬噸。據悉，該舉措不僅提高了水資源的循環利用率，降低了企業用水成本，還為園區可持續發展提供了有力的水資源保障，實現了經濟效益與環境效益的雙贏。
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